聲學材料的一個世紀（上篇）

一、引 言

聲學是研究聲波在不同介質中的傳播的物理現象的科學，是物理學的一個重要分支。也有人說聲學是物理學的第一學科，如果是從字母順序來看的話。聲學，以及在此基礎上孵化的技術、產品就像次聲波一樣，雖然你並不能完全感受到它的存在，但是卻滲透到了我們日常生活的方方面面。

圖1. 聲學學科與應用領域環狀圖

我們日常接觸到的最平常的聲學產品就是手機的揚聲器和麥克風，這種最簡單直白的信息的採集和傳遞，就是千千萬萬個微小的微電子聲學元件(MEMS）在手機殼體內部默默地工作。我們習以為常的汽車喇叭、自行車鈴鐺，這樣簡簡單單的聲學產品在某種意義上已經保護了人類上百年。甚至在你家中看不到牆體內部就分布著為數不少的保溫材料，但是這些保溫材料同樣起到了吸收和隔離噪聲的作用。

從物理視角來看，聲波作為一種彈性波，必須依託介質來進行產生並傳播。不管是我們想要消除或者生產聲波，還是對其進行人工調控，對傳播介質的研究，即對材料的研究，正是聲學研究中必不可少的一部分。雖然關於聲波在常規介質中的傳播的基礎研究成果早在19世紀末有基本定論，但是隨著工業革命的到來，大機器的運用帶來無可避免的噪聲問題，人類面對的聲學系統的複雜程度成幾何級數型上升。而隨著20世紀末信息革命的到來，我們觀察調控物理環境的能力更是有了質的飛躍。兩者的結合，給聲學材料的研究帶來了突破性和革命性的進展，將對聲學材料的研究推進到了一個前人完全無法企及的深度度和廣度。哪怕是瑞利爵士 穿越到了我們所在的時空，也需要向我們來了解最新的聲學知識。

二、聲學材料系統的基本物理模型

題記：

萬變不離其宗

——出自《荀子·儒效》

從物理的角度，我們可以把所有聲學問題歸納為一個最簡約的物理模型。聲波由聲源（Source）產生，經由介質（Medium），由接收器(Receiver)接收。這裡的聲源和接收器都可以是包括人在內的生物、包括麥克風在內的一切機器或者不同於傳播介質的另一種物質。傳播途徑即傳播介質可以由固體、液體或者氣體中一個或多個構成。而我們大家都在中學時學過聲音的三要素，即響度（Loudness）、音調(Tone)和音色(Timbre)，轉換為我們現在熟悉的物理語言，三者分別對應聲波的強度（Amplitude）、頻率（Frequency）和頻譜（Spectrum）。上述的六大要素一起構成了最簡約的聲學物理模型。

圖2. 左：方波的傅立葉級數展開可視化效果；

右：聲波傳播的三大要素

聲學下屬的不同方向，對這六大要素的研究各有偏重，構成這六大要素的材料也各有不同。材料聲學，尤其是應用於噪聲治理的材料聲學，關注對聲學材料內部吸聲和隔聲機理的研究（介質），通過對頻譜的控制，探尋對噪聲的控制。

在線性的噪聲問題中，我們依據能量守恆定律，即針對一個特定頻率，聲學材料吸收的能量加上其反射的和透射的能量等於系統的總能量，將聲學材料這一系統以其系統的總能量為底進行參數化處理，可以給出以下的方程，

1=|A(f)|^2+|R(f)|^2+|T(f)|^2,

其中，A(f)為頻率相關的吸聲係數，R(f)為頻率相關的反射係數，T(f)為與頻率相關的透射係數。

這個方程有幾個特殊的解，分別對應我們在工程中遇到的幾大類問題：

1）當T(f)=0，|A(f)|^2=1-|R(f)|^(2)；

解1）對應吸聲問題。在純粹的吸聲問題中，我們不考慮透射係數即T(f)=0，假設在聲學材料後邊界條件為絕對剛性。在這一問題下，我們追求不斷提高吸聲係數，以減小反射的能量。當達到A(f)=0，R(f)=1 時，就達成了狹義上的完美吸聲。

圖3. 一種實現了狹義完美吸聲的聲學超構材料

2）當T(f)=1，A(f)=R(f)=0；

解2）對應聲學隱身問題。在透明問題中，我們希望在聲波不受阻礙地通過聲學材料，而不被聲學材料中的物體所影響。站在系統外觀察者的角度，聲學材料和被材料所遮蓋的物體並不存在，從而實現了聲學隱身(acoustic stealth)。

3）當R(f)=1，A(f)=T(f)=0；

解3）對應完美反射問題。在理想條件下，聲學材料能夠完全反射入射的聲波，而不使能量透過這一系統。一般來說，隔聲量與材料的質量成正相關關係，這一關係又被成為質量定律，對傳統材料而言只有當材料的面密度無限大時，才能實現完美的隔聲。

另，在這一問題中，當我們同時引入T(f)=0作為邊界條件時，站在系統外觀察者的角度，聲波沒完全反射，被其所遮蓋的物體並不存在，從而實現聲學鬥篷（acoustic cloaking）的功能。誠然，此處我們只是簡單地從能量的觀點簡要描述聲學隱身和聲學鬥篷的概念。

圖4. 左：隱身概念圖；

右：世界首例通過實驗驗證的聲學鬥篷

4）當A(f)=1，T(f)=R(f)=0。

解4）對應完美吸聲問題。在不假設T(f)=0的情況下，聲學材料能夠完全反射入射的聲波，而不使能量透過這一系統。這樣的材料一般需要使用多種不同的聲學材料複合而成，是當前聲學材料應用的主要發展方向。下面我們將主要討論不同的聲學材料在噪聲治理方面應用。

通過對聲學材料系統基於能量守恆觀點的思辨，我們能夠清晰地將聲學材料系統中的一般問題作出簡單的歸納和總結，並以此為依據從基礎科學研究的角度以物理現象為依據對聲學材料進行粗略的歸類。下面我們會沿著這一思路繼續介紹傳統聲學材料以及在此基礎上發展出來的最新研究成果。

圖5. 左：多層複合聲學材料；

右：通過多層複合實現了完美吸聲的一種聲學超構材料

三、傳統聲學材料簡介

題記：

大音希聲，大象無形

——出自《道德經》

在現代社會的日常生活中，噪聲是再尋常不過的事情了。人口高度密集的城市中的喧囂自不用說，哪怕是農村生活也不能遠離噪聲的幹擾，家電下鄉帶來生活品質的提高，農村城市化的推進，還有現代化農機的大規模使用，都帶來了新的變化。噪聲治理已經逐漸成為了聲學技術發展中重中之重。

噪聲治理工程，也稱作聲學工程，可以簡單地分為新建工程和改造工程兩大類。新建工程主要對新建構築物，可以是建築和包括各類交通工具在內的大型機械設備，通過分析其內部結構、可能產生噪聲的設備、外部聲學環境、人員分布等元素，預報構築物內部各部位的噪聲水平，並在此基礎上進行降噪措施的規劃和設計。其中針對交通工具的聲學工程，加入了振動和舒適性的要求，而被稱為NVH工程（Noise,Vibration,Harsheness）。而改造工程主要針對既有構築物，主要是各類建築物，通過確定主要噪聲源，分析其噪聲強度與頻段，依據國家標準或業主的要求，在不改動建築原有功能和結構的基礎上，增補降噪措施。

在聲學工程中，聲學材料作為一種被動控制手段，以其普惠實用、長效廉價的優點，佔據了噪聲治理技術中的主要地位。聲學材料主要可以主要分類兩大類，即以多孔材料為核心的傳統聲學材料和以超構材料為核心的新興聲學材料。下面我們先來介紹傳統聲學材料。

傳統聲學材料，可以主要分為三種，即多孔材料、微穿孔材料和複合材料。其中複合材料由前兩種材料複合而成，我們不再單獨介紹。

多孔材料，依據其微結構的不同幾何性狀，可以細分為纖維材料和泡沫材料；依據其基底材料的不同性質，可以細分為無機多孔材料和有機多孔材料。這兩種分類方法的組合，形成了多孔材料細分的四大類。

圖6. 傳統聲學多孔材料分類

纖維類多孔材料

無機纖維材料中最常見的是玻璃棉和巖棉。這類材料是將天然礦石（石英石、石灰石或白雲石）或者玻璃加熱到熔融狀態，藉助外力吹制，甩成絮狀細纖維，通過進一步的攪拌，纖維和纖維之間形成立體交叉，互相纏繞在一起，呈現出許多細小的間隙，形成纖維狀的材料。其化學成分屬玻璃類，是一種無機質纖維，具有體積密度小、保溫絕熱、吸音性能好、耐腐蝕、化學性能穩定。玻璃棉，價格低廉，生產方便，性價比高，是我國市場上常見的保溫隔音材料。以玻璃棉為基底，添加環氧樹脂或其他膠結劑而形成的玻璃棉保溫隔聲板的使用在我國北方地區十分常見。

當然玻璃棉也不是沒有缺點。玻璃棉的化學性質雖然十分穩定，但是其物理性質並不是十分穩定。在露天條件下，沒有添加膠結劑的絮狀玻璃棉很容易因為冷熱變化和雨水侵蝕在三到五年內粉化，其內部最重要的多孔結構解體，失去聲學性能。而粉化脫落的玻璃棉渣，容易被人體吸入呼吸道，長期接觸會導致塵肺等職業病。同樣的，玻璃棉上脫落的細小玻璃纖維渣，短期接觸有可能會引起皮膚、眼睛、鼻及喉嚨輕度過敏。因此，為了提高玻璃棉的使用壽命，減少玻璃纖維對人體的危害。當前銷售的散裝玻璃棉越來越少，而添加膠結劑的玻璃棉板材和帶塑料或玻璃纖維布包裝的包裝玻璃棉成為了裝飾工程的主流。

圖7. 無機纖維材料：左：玻璃棉橫截面照片；

右：玻璃棉內部結構顯微照片

有機纖維材料的形成機制與玻璃棉類似，基底材料由玻璃改為了有機高分子材料，也就是塑料。常見的聲學材料中使用的有機纖維材料是以聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維，俗稱滌綸纖維，攪拌壓制而成的。其中使用的纖維可以直接使用塑料原料製成，也可以使用回收的廢舊衣物的纖維製成。有機纖維材料具有和紡織布料相同的特性，相較於無機纖維材料，有著優異的力學性能，面密度低、韌性較好，不容易剝落粉化，且易於著色，可以直接作為室內裝修的材料暴露在外。

泡沫類多孔材料

有機泡沫吸聲材料，來自發泡塑料，如聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫等，由不同的發泡工藝製程。通過高壓發泡機或高速攪拌機將多元醇、多異氰酸酯以及發泡劑和催化劑直接注入封閉的模具中，經過發泡、固化等工藝流程製得吸聲性能優良的聚氨酯隔音泡沫塑料，這種方法所製得的聚氨酯泡沫塑料具備良好的吸聲性能。

圖8. 有機泡沫材料：左：聚氨酯泡沫橫截面照片；右：聚氨酯泡沫型材

金屬泡沫材料中聲學應用方向主要是泡沫鋁及其合金材料。泡沫鋁具有優異的物理性能、化學性能和力學性能以及可回收性。製備泡沫鋁的方法有多種，根據製備過程中鋁的狀態可以分為三大類：液相法、固相法、電沉積法。其中電沉積法製備的泡沫鋁具有良好的聲學性能。電沉積法是以泡沫塑料為基底，經導電化處理後，電沉積鋁製成。用電沉積法生產的泡沫鋁具有孔徑小，孔隙均勻，孔隙率高等特點，其聲學性能和阻尼特性優於其他方法生產的泡沫鋁。

圖9. 金屬泡沫材料：左：通孔型泡沫鋁片材；

右：閉孔型泡沫鋁板材

用於吸聲的泡沫鋁直接粘貼到混凝土或鋼結構上，或豎在高架橋、輕軌兩旁作為大型聲屏障，可以減輕城市交通噪聲。隔聲的泡沫鋁可用於工廠機房、機器設備、戶外建築工地的噪聲隔離，解決了廣泛應用的玻璃棉、石棉等吸聲材料的許多局限性。金屬泡沫材料相對其他傳統吸聲材料成本比較貴，且生產加工的工藝也相對複雜，目前還需要研究成本低、簡單、可靠和穩定的生產泡沫鋁工藝，進一步解決氣孔均勻問題優化各種工藝參數和操作條件。

圖10. 傳統聲學材料抗壓性能與吸聲性能對比

新型多孔材料

傳統多孔材料經歷了近一個世紀的研究和應用在新時期在出現了很多新的變化。

一個變化是綠色環保型材料逐漸回暖。在聲學材料出現的早期，曾經十分流行以木質纖維為基底的有機質纖維多孔材料，但是這種材料易燃易腐化，壽命較短，無法在戶外使用，逐漸退出了主流聲學材料市場，但是隨著環保意識的提升，市場對於綠色環保、可回收再利用的聲學材料，尤其是不依賴礦物資源（石油（天然氣）、煤炭、礦石）的聲學材料的需求不斷提升。從上世紀80年代開始，不斷有學者提出利用植物纖維，主要是回收木料、秸稈、棕櫚、軟木製成的多孔材料，配合新出現的防腐和防火等材料化工技術，來生產保溫吸聲材料。

圖11. 木絲纖維板

在這一中心思想上衍生出了新型纖維素木材。藉助天然木材特殊的多孔結構，通過特定的去木質素工藝去除了天然木材結構中的部分木質素，在保留天然木材的抗壓性能的基礎上，得到了較天然木材具有更高的比表面積和孔體積的高通透性多孔介質。這種材料具有更優越的吸聲性能，同時在可見光波段內呈現出更高效的寬波段漫反射特性。這一研究工作不僅為設計、製備輕質高強的高效吸聲材料開拓了新視野，同時也具有很高的潛在應用價值。

圖12. 纖維素木頭研究成果

另一個新的變化則是複合吸聲材料的大發展。複合吸聲材料從簡單的多層不同密度和性能的材料的簡單疊加，轉而向不同材料在同一吸聲層內部的複合，配合數值模擬仿真、等效參數反演等技術大大提高了材料與介質的阻抗匹配度，創造出了很多高吸聲係數的輕質薄層複合吸聲材料。

其中一類材料是複合氣凝膠吸聲材料。研究人員採用兩步酸鹼催化溶膠-凝膠反應和冷凍乾燥等工藝，開孔泡沫金屬的多孔網絡內生成二氧化矽氣凝膠，又通過試驗和模擬仿真驗證得到了最佳的氣凝膠與泡沫金屬配比，綜合泡沫金屬優越的力學性能和氣凝膠的高聲阻尼特性，製備了輕質、高強且高效的新型泡沫金屬/氣凝膠複合吸聲材料。這種材料具備更優越的抗壓性能和更高效的寬頻吸聲特性，且其製備工藝更簡單、成本更低廉，擁有更高的實用價值和經濟效益。

另一類複合材料，針對傳統多孔材料中高頻性能優越，但實現低頻吸聲效果所需材料厚度較大的特點，通過在傳統多孔材料中打孔或添加硬質共鳴腔來提高多孔材料的低頻吸聲性能。其中性能較為突出的構型就是添加剖面遞減孔的吸聲材料。與垂直於材料表面打入直孔的普通做法不同，研究人員在確定材料多孔聲學特性基礎上，創造性地加入了中心軸線與材料表面呈一定角度的圓錐或圓臺孔洞，充分利用材料的厚度空間，增加了孔洞周邊中多孔材料的等效厚度。在不改變材料平板外形的基礎上，降低了材料面密度的同時提高了吸聲性能。

圖13. 傳統聲學材料超結構優化：

左：添加剖面遞減孔的吸聲材料；

右：剖面遞減孔單元體示意圖

另外一類材料則與前面講到的纖維木材反其道而行之，在保留木纖維原有結構的基礎上，將其中的木質素用化學方法完全去除，並以較為環保的環氧樹脂材料代替，生產出了透明「木頭」為代表新型綠色材料，希望有一天我們能看到真正透明的吸聲材料。

圖14. 透明「木頭」

感謝南京大學現代工程與應用科學學院黃唯純博士、解龍翔博士、盧明輝教授供稿。

審核|劉朝宗 黃麗芳

來源|聲學樓

排版|曾燕平